История создания вентильного привода для нефтедобычи

Владимир Иванович Павленко демонстирует вентильный погружной электродвигатель Алекперову В.Ю.

Прорывные технологии и инновационное российское оборудование для нефтегазовой отрасли  появляются на рынке достаточно редко, хотя  творческий потенциал российских инженеров и учёных позволяет  решать такие задачи.

Вентильные приводы для УЭЦН и УЭВН, впервые в мире  разработанные в  рамках корпоративного проекта ПАО «ЛУКОЙЛ», включены  в Международный стандарт.     Мир последовал за инновацией «ЛУКОЙЛА».

Сегодня можно констатировать, что в рамках корпоративного проекта ОАО «ЛУКОЙЛ» на базе новой идеи  был в полном объёме реализован цикл «разработка  – производство – внедрение».

Основным видом техники добычи нефти являются установки погружных центробежных насосов, которыми сегодня добывается около 80% нефти в России. В этих установках в качестве привода используются погружные асинхронные электродвигатели, изобретённые в России  инженером Арутюновым в 1916 году. Производство их первых промышленных образцов было организовано в 1927 году в США, а  промышленное использование в нефтедобыче в составе УЭЦН - в середине 30-х годов.

Срок службы ранних моделей УЭЦН был небольшим, однако за прошедшие годы были достигнуты значительные успехи в области развития и применения данной технологии, что позволило не только продлить срок службы оборудования, но и сделать его одним из основных видов техники добычи нефти.

Добыча нефти УЭЦН является высокоэнергоемким технологическим процессом.  В структуре затрат на добычу нефти затраты на электроэнергию составляют от 20% до 40%, поэтому дальнейшее повышение энергетических характеристик оборудования является одним из основных резервов снижения издержек в нефтедобыче. Задача снижения энергопотребления актуализируется в связи со стабильной тенденцией роста тарифов за потребляемую мощность и обводненности добываемой продукции.

Одним из основных параметров, определяющих относительно высокое энергопотребление УЭЦН, является КПД погружных электродвигателей.

В результате проведенных почти за 100 лет работ по совершенствованию ПЭД их КПД существенно повысился и достиг 83-84%. Однако дальнейшего повышения КПД асинхронных ПЭД поднять не удавалось.

Основным направлением работ по снижению энергопотребления УЭЦН с конца 80-х годов стали работы по созданию и использованию в составе УЭЦН регулируемых электроприводов на базе серийных асинхронных погружных электродвигателей типа ПЭД и преобразователей частоты.

Применение УЭЦН с регулируемой частотой вращения позволяет регулировать подачу насоса изменением частоты его вращения взамен применявшегося в большинстве случаев  дросселирования («штуцирования»). При этом достигается и снижение потребляемой насосом мощности. Однако такие приводы не обеспечивают универсального повышения эффективности преобразования энергии: КПД асинхронного ПЭД при питании от преобразователя частоты (ПЧ) даже несколько снижается, для предотвращения «искажения» напряжения на выходе из ПЧ требуется установка фильтров, что приводит к дополнительным потерям мощности.

Повышение КПД погружных электродвигателей  позволяет не только снизить энергопотребление УЭЦН, но  и снизить перегрев электродвигателя, повысив его ресурс и установки в целом.

В мире, в том числе и в России, разработаны технические решения, которые позволяют повысить КПД асинхронных электродвигателей  до 95%. Однако эти технические решения невозможно реализовать в погружных асинхронных электродвигателях из-за нестандартного соотношения их диаметров и длин.

Стало очевидным, что возможности дальнейшего повышения КПД погружных  асинхронных электродвигателей  практически исчерпаны.

Для приводов установок погружных центробежных и винтовых насосов был необходим новый, более энергоэффективный двигатель, обладающий совокупностью характеристик, позволяющих реализовать оптимальный технологический режим отбора продукции из скважин с минимальными энергозатратами и максимальным ресурсом.

Качественный скачок в направлении создания высокоэффективных приводов для различных машин и оборудования обозначен разработкой интеллектуальных электромеханических преобразователей энергии, которые одновременно осуществляют и преобразование энергии, и управление приводом. Эти устройства представляют собой, с одной стороны, электрическую машину, а с другой — интегрированную систему регулируемого электропривода. Создание и широкое внедрение таких двигателей стало возможным с появлением на рынке высококоэрцитивных постоянных магнитов из сплавов редкоземельных металлов с относительно высокими удельными энергиями. На основе таких магнитов с 1970-х годов начало интенсивно развиваться производство электродвигателей, которые в соответствии с международной классификацией называются синхронными электродвигателями с постоянными магнитами (СДПМ или Permanent Magnet Synchrronous Motor, PMSM). В России такие электродвигатели называются вентильными (ВД) (Selfcontrolled Synchronous Motor). Их особенность заключается в том, что система управления является неотъемлемой частью процесса преобразования энергии.

В асинхронных двигателях напряжение подается на обмотку статора, магнитное поле которого воздействует на короткозамкнутую обмотку ротора, индуцирует в ней ток, создающий свое магнитное поле. Взаимодействие этих магнитных полей обеспечивает вращение ротора двигателя.

В вентильных электродвигателях с постоянными магнитами нет расхода мощности на передачу энергии ротору и соответствующих потерь, которые есть в короткозамкнутой обмотке роторов асинхронных электродвигателей, в связи с чем их КПД  выше КПД  асинхронных двигателей, а значения рабочих токов и токов холостого хода — ниже.

Вращение вентильного электродвигателя обеспечивается подачей напряжения на секции (фазы) обмотки статора по специальному алгоритму от станции управления с помощью полупроводникового коммутатора, управляемого сигналами, позволяющими выявить положение ротора по отношению к статору (положение магнитной оси ротора по отношению к эквивалентной магнитной оси статора).

Вместе с ОАО «АЭРОЭЛЕКТРИК»

В 1995 году, принимая во внимание актуальность задачи повышения эффективности эксплуатации погружных электронасосов и, в первую очередь, снижения энергозатрат в нефтедобыче, в ОАО «ЛУКОЙЛ» самым серьезным образом отнеслись к предложению одного из ведущих предприятий ВПК в области создания электрических приводов для аэрокосмической техники ОАО «АЭРОЭЛЕКТРИК» (бывший МАЗ «Дзержинец») заняться разработкой принципиально новых высокоэнергоэффективных приводов нефтяного оборудования.

Несмотря на то, что перспективы предложенного к разработке нового типа приводов для нефтяного оборудования были еще далеко не ясны, ОАО «ЛУКОЙЛ», учитывая высокий научный и технический потенциал ВПК, принял решение не только финансировать разработку, но и подключить к ее реализации своих специалистов, обладающих большим опытом эксплуатации нефтяного оборудования.

В феврале 1996 года президиум НТО ОАО «ЛУКОЙЛ», заслушав информацию о разработках в области создания новых типов приводов для аэрокосмической техники, рекомендовал своим соответствующим службам рассмотреть возможность развития научно-технического сотрудничества с «АЭРОЭЛЕКТРИКОМ».

В рамках сотрудничества с ОАО «АЭРОЭЛЕКТРИК» на базе новой идеи были созданы принципиально новые, более  энергоэффективные  погружные электродвигатели с постоянными магнитами в роторе.

В конце 1996 года был изготовлен действующий макетный образец первого в мире погружного вентильного электродвигателя для привода УЭЦН (этот «музейный экспонат» сохранился и находится в рабочем состоянии).

В 1996 году ОАО «ЛУКОЙЛ» получил патент на полезную модель «Установка глубинного насоса», отличающуюся тем, что «установленный в скважине двигатель выполнен бесконтактным, с размещёнными на роторе постоянными магнитами». Этим документом закреплён мировой приоритет компании и России в создании вентильных приводов для погружных насосов.

На состоявшемся в октябре 1996 года в г. Когалыме совещании по вопросу повышения эффективности использования УЭЦН был заслушан доклад, в котором были изложены перспективы использования вентильных электродвигателей в оборудовании для добычи нефти.

Полномасштабные опытные образцы новых типов приводов были испытаны в 1998 году в скважинах ООО «ЛУКОЙЛ — Западная Сибирь» и ОАО «РИТЭК». Испытания подтвердили возможность и целесообразность их использования в качестве приводов погружных насосов.

После августовского кризиса 1998 года работы над приводом были фактически приостановлены. Создалась реальная угроза потери достигнутых к тому времени результатов, поэтому в 2000 году ЛУКОЙЛ принял решение создать в составе ОАО «РИТЭК - Инновационно-технологический центр» (РИТЭК-ИТЦ), пригласив в него для  продолжения работ группу ведущих специалистов «АЭРОЭЛЕКТРИКА», работавших по тематике вентильных приводов для нефтяных насосных установок.

Авиационные подходы к созданию новой техники позволили специалистам РИТЭК-ИТЦ за короткий срок на базе широкого использования передовых достижений в развитии силовой, микропроцессорной электроники и программных средств управления, а также значительного развития мирового производства постоянных магнитов разработать и представить на приемочные испытания опытные образцы вентильных приводов УЭЦН с высокими энергетическими характеристиками. В 2001 году приёмочные испытания были завершены по результатам которых, Президиум НТС ОАО «ЛУКОЙЛ» поддержал решение приёмочной комиссии о постановке вентильных приводов УЭЦН на производство.

Высокая степень унификации ВД с серийными асинхронными ПЭД по конструкции, материалам и технологии изготовления позволила оперативно организовать их производство в сертифицированном по международному стандарту ISO 9001 ЗАО «ЛУКОЙЛ ЭПУ Сервис».

Первая скважина с УЭЦН с вентильным электродвигателем была запущена в эксплуатацию 17 марта 2002 года, а первая скважина с УЭВН с низкооборотным вентильным приводом – 12 октября 2003 года. Эти даты можно считать началом промышленного использования вентильных приводов погружных насосов в нефтедобывающей отрасли России и в мире.

Серийное производство вентильных электродвигателей и станций управления было организовано в 2003 году в г. Москве на созданном в компании «РИТЭК», входящей в Группу «ЛУКОЙЛ», Инновационно технологическом предприятии ООО «РИТЭК-ИТЦ», занимающимся разработкой и производством  вентильных приводов для нефтяной отрасли.

В  начальный период их внедрения – 2001- 2004 гг., несмотря на наличие проблем технического и  экономического характера, руководство компании поддержало проект. Объёмы внедрения ВД в первые три года утверждались первым вице- президентом НК «ЛУКОЙЛ». Потребовалось несколько лет для доработки ВД, подтверждения их преимуществ относительно ПЭД и  принятия решения об увеличении объёмов их применения, а затем и полной замене в Компании УЭЦН с ПЭД на УЭЦН с ВД.

Высокий КПД и  более низкие значения рабочих токов вентильного двигателя,  в сочетании с возможностью регулировании частоты вращения, позволяют снизить энергопотребление при добыче нефти   УЭЦН  от 10 до 35%. Однако экономический эффект от замены в УЭЦН электродвигателей ПЭД на вентильные не определяется только их энергоэффективностью. В равных условиях эксплуатации УЭЦН с вентильными приводами имеют более высокие наработки, чем УЭЦН с ПЭД, за счёт более низкого перегрева двигателя, регулирования частоты вращения и режимов запуска. Применение низкооборотных вентильных электродвигателей, работающих без снижения момента с частотой вращения от 100 об/мин,  позволило существенно поднять наработки  погружных винтовых электронасосов, применяемых для откачки скважинной продукции с повышенной вязкостью.

 Разработка вентильных приводов УЭЦН и УЭВН - один из немногих примеров создания в России техники, энергетические характеристики которой превышают характеристики оборудования, выпускаемого развитыми зарубежными странами, предназначенного для тех же целей.

Успех корпоративного проекта ОАО «ЛУКОЙЛ» подтверждается и тем, что вслед за «РИТЭК-ИТЦ» разработкой и изготовлением вентильных приводов для УЭЦН и УЭВН занялись специалисты ОАО «Борец» и ЗАО «НОВОМЕТ». После  долгих раздумий, и надо полагать, изучения результатов корпоративного проекта ПАО «ЛУКОЙЛ», начала заниматься разработкой и производством ВД и фирма  Schlumberger. 

На заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России, которое состоялось 23 марта 2010 года в Ханты–Мансийске, Игорь Иванович Сечин отметил, что «Интеллектуальный потенциал российского ТЭК позволяет быть не только крупнейшим потребителем передовых технологий и знаний, созданных всем миром, но и генератором собственных разработок. Сегодня мы можем говорить о передовых технологиях российского происхождения. Например, нефтяная компания «ЛУКОЙЛ» довела за 15 лет уникальные разработки электродвигателя нового поколения, вентильного двигателя, от идеи до промышленной разработки».

Погружные вентильные электродвигатели, разработанные в рамках корпоративного проекта    ОАО «ЛУКОЙЛ», уже прочно вошли в перечень оборудования, используемого в нефтедобыче.     «Мир последовал за инновацией «ЛУКОЙЛА» - такое наименование было дано редакцией журнала «Нефтегазовая вертикаль» в одной из публикаций о вентильных приводах, разработанных в рамках корпоративного проекта ПАО «ЛУКОЙЛ» ещё в 2010 году. И редакция журнала не ошиблась.

Международная ассоциация производителей нефти и газа (OGP) и Международная организация по стандартизации (ISO) в 2013 году утвердили стандарт ISO/DIS 15551-1 Electric submersible pump systems for artificial lift (Системы электроцентробежных погружных насосов при механизированной эксплуатации), в котором погружные вентильные электродвигатели для приводов ЭЦН, впервые в мире разработанные в рамках корпоративного проекта ПАО «ЛУКОЙЛ», приведены в указанном стандарте, как серийное оборудование.

Сегодня в России найдётся немного проектов в области создания принципиально новой высокотехнологичной продукции, которые прошли путь от идеи до промышленного внедрения за счёт финансирования частной компанией.

Новое производство

Учитывая высокую энергоэффективность вентильных приводов, руководство нефтяной компании  в 2015 году приняло решение  о внедрении вентильных приводов на всех скважинах компании, оснащенных УЭЦН и УЭВН.

Для решения этой задачи возникла необходимость создания нового предприятия по производству  вентильных двигателей. Поэтому вполне обоснованным был и выбор места с локализацией производства в г. Когалыме - регионе с наибольшей потребностью в этом важнейшем виде добывающего оборудования.

И в сентябре 2016 года такое решение было реализовано –  запущено предприятие с перспективой выхода на годовой объём производства 5 000 ед. вентильных электродвигателей. Это  событие стало важным  не только для ЛУКОЙЛа, но и для нефтяной отрасли в целом, так как его продукцию планируется поставлять не только предприятиям «ЛУКОЙЛА», но и на внутренний и международный рынки.

Хронология событий

1994-1996 годы

1994 год

ОАО «ЛУКОЙЛ» подписывает с АО «АЭРОЭЛЕКТРИК» протокол о намерении в сотрудничестве в создании приводов УЭЦН на основе вентильных электродвигателей.

1995 год

Первый вице-президент ОАО «ЛУКОЙЛ» утверждает техническое задание на разработку вентильного привода УЭЦН.

1996 год

НТС ОАО «ЛУКОЙЛ» принял решение о начале финансирования работ в области создания новых типов приводов.

Изготовлен действующий макетный образец первого в мире погружного вентильного электродвигателя для привода УЭЦН.

1998-2002 годы

1998 год

Предварительные промысловые испытания первых в мире полномасштабных опытных образцов приводов на основе ВД в скважинах ООО «ЛУКОЙЛ - Западная Сибирь».

2001 год

Завершаются приёмочные промысловые испытания приводов на основе ВД в скважинах ООО «ЛУКОЙЛ - Западная Сибирь» и ОАО «РИТЭК».

Президиум НТС ОАО «ЛУКОЙЛ» принимает решение о постановке вентильных приводов на производство.

Начат выпуск вентильных электродвигателей в рамках совместной деятельности ОАО «РИТЭК» и ЗАО «ЛУКОЙЛ ЭПУ Сервис».

2002 год

Начало внедрения вентильных приводов. В ООО «ЛУКОЙЛ-Пермь» в скважине № 2070 Гожанского месторождения запущена в эксплуатацию УЭЦН с ВД. Установка проработала 1048 суток.